JPS641706B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、かきまぜ機の軸およびポンプの軸を
密封するのに適した軸封方法に関する。かきまぜ
容器およびポンプは、たとえば、工業的化学プロ
セス装置に、ふつう使用される。このような装置
の使用において、経済的理由および環境的理由の
両方で、化学プロセス流がプロセス装置から漏れ
るのを最小にするか、あるいはそれを排除するこ
とが重要である。とくに、本発明は、毒性である
かまたは環境的に許容されないプロセス流、ある
いは腐食性、摩耗性でありおよび／または凝固剤
を含有するプロセス流を取扱う装置に適用した場
合に有効な改良された軸封方法に関する。

軸封装置は種々の配位配置でかつ種々の構造材
料から製作されてきている。たとえば、従来の機
械的密封は一般に係合リングと密接する一次リン
グからなり、ここで一次リングは一般に軸に対し
て密封されており、そして係合リングは一般にハ
ウジングに対して密封されており、そして密接す
る領域は１対の整合する高度にみがかれた面から
なる。典型的な機械的密封はJohn Crane
Bulletin Ｓ―205―13、Type ９ Shaft Seal
（Crane Packing Company、Morton Grave、
Illinois）の３ページの切断面に示されている。
意図する使用に応じて、構成材料を変化できる。
腐食性流体とともに使用するためには、炭素の一
次リングと不透質の合金または化学的に不活性の
セラミツクの係合リングを使用することが普通で
ある。しかしながら、これらの構成材料を使用し
てさえ、みがかれた面はプロセス流が摩耗性であ
るか、あるいは凝固剤を含有するとき、ひじよう
に短かい時間で筋がつくようになる。面に筋がつ
くようになるにつれて、密封は無効になり、そし
て流体は面間で、そして軸に沿つて漏れる。

詰めたパツキン箱は普通の軸密封の他の例であ
る。一般に、パツキンは十分に圧縮されてパツキ
ンを通る流体の通行を制限するが、パツキンと軸
との間に過度の摩擦を生じないように希望通りに
は圧縮されない。圧力はパツキン押えをパツキン
箱上で手で締めることによつて一般に維持される
が、その締める点はパツキンと軸との間の摩擦が
パツキンの過熱を生ずる点の前でありかつパツキ
ンを通る漏れが最小となる点までである。このよ
うな配位配置はゼロの漏れよりもむしろ大気圧に
対してコントロールされた原理に基づいて作動す
る。しかしながら、これはひんぱんの調整を必要
とし、そして超過締りは過度の摩擦および熱の発
生、パツキンの過度の摩耗を生じ、そして軸を損
傷することさえありうる。パツキンへの圧力を適
切に調整するときでさえ、パツキンを通る流体の
流れを最小にするために必要な圧力は必然的にパ
ツキンと軸との間に比較的高い摩擦を生じ、パツ
キンは摩耗してしまい、ひんぱんな取り替えが必
要となる。さらに、このような具体化例の応用は
低いrpmで作動する軸および非腐食性であるプロ
セス流体に限定される。そうでないと、パツキン
の使用寿命はひじように短かくなり、ほとんど使
用不可能となる。

詰められたパツキン箱は、パツキンを通して流
体をフラツシするための手段を有することができ
る。このような具体化例において、一般にランタ
ンリングの各側に複数の層のパツキンが存在す
る。パツキン箱の注入口はランタンリングと整列
させて、軸へのフラツシ流体の通行を確保しなく
てはならない。このような配位配置の圧縮は、パ
ツキン押えをパツキン箱の外側端で手で締めるこ
とによつて達成される。該パツキン押えを締める
ことによつて発生する圧縮プロフイルは、パツキ
ン押えに隣接する２つのリングにおいて生ずる80
％の圧縮と、各リングにおけるランタンリングま
での減少する量で生ずる残りの20％の圧縮を示
す。ランタンリングの内側の層は圧縮をほとんど
またはまつたく受け取らない。この結果フラツシ
流体のプロセスへの流れは比較的コントロールさ
れなくなり、そしてプロセス流のパツキン箱中へ
の逆流の危険がかなり高くなる。

従来の軸封装置のなおさらに他の具体化例は機
械的密封またはパツキンと絞りブシユまたはのど
ブシユとの組み合わせである。絞りブシユの配位
配置は一般にブシユがパツキン箱中へプレス流端
においてプレスばめされ、ブシユと軸との間に比
較的小さな環状通路を形成するようなものであ
る。また、パツキン箱内に普通の機械的密封また
はパツキンとパツキン箱への入口とが設けられて
おり、この入口から流体を加圧下に供給でき、こ
うして流体を絞りブシユを通し、そしてプロセス
流中へ強制的に入れることができる。流体が十分
な流速でブシユを流過するとき、それはプロセス
流がパツキン箱中へ逆流し、そしてプロセス流が
機械的密封と接触するのを防ぐ。この型の典型的
な配位配置は、John Crane Bulletin No.Ｓ―
243―２、Section ×、１ページまたはthe
Durametallic Corporation Dura Seal
Manual、59ページ中に示されている。このよう
な配位配置はとくに摩擦性プロセス流体とともに
使用するために設計されたものであるが、ひじよ
うに多くのフラツシ流体を注入するので、最小の
希釈を要求するプロセスには完全に不適当であ
る。

種々の軸封装置の配置についての最近の考察
は、1978年10月９日発行のChemical
Engineering Magazineの96ページのJ.H.
Pamsdenの論文に記載されている。その論文に
おいて、のどブシユの使用と、１ガロン（3.79
）／分の程度であるというフラツシ流体の要求
される流速とについて考察されている。流速を小
さい半径方向のすき間をもつ浮動のどブシユを使
用することによつて最小にできるが、流速は同じ
一般的程度の大きさにとどまる。多くの化学的方
法に対して、この速度の希釈はまつたく不適当で
ある。それらの場合において、のどブシユは使用
せず、漏れポンプが許容されるだけである。

本発明は、かきまぜ機の軸またはポンプの軸の
上に設置された新規な軸封装置を使用することに
より、プロセス流が毒性か環境的に許容できない
場合、あるいはプロセス流が腐食、摩耗性であり
および／または凝固剤を含有する場合、あるいは
プロセスがプロセス流の有意な希釈を許容できな
いような場合に特に有効に軸を密封することがで
きる軸封方法を提供する。

本発明の方法では、機械的密封とパツキンとの
組み合わせからなる軸封装置を使用して、流体が
加圧下に該パツキンを含有するパツキン箱に供給
されたとき該流体がパツキンを通してプロセス流
中へ流入するように、そしてその速度はプロセス
流がパツキン箱中へ流入して機械的密封と接触す
るのを防ぐのに十分に速度であり且つプロセス流
の有意の希釈を生ずるのに不十分な流れの体積速
度であるように、操作される。

当然、本発明の密封において、パツキンは密封
される軸に沿つて機械的密封よりもプロセス流に
近い位置に位置し、そしてパツキン箱は流体を加
圧下にパツキン箱中に注入する手段を有する。

パツキンは任意の配位配置をとることができ、
そして要求される有効空隙の横断面を与える任意
の構造材料からなることができ、すなわちパツキ
ンは流体が加圧下に通過するように十分に多孔質
でなくてはならず、そしてまたその中の空隙空間
の有効横断面が十分に小さくてそこを通る流体の
流れの比較的低い体積速度でそこを通る流れの比
較的高い速度が達されるようなものでなくてはな
らない。パツキンは互いに並置された１または２
以上の層でプロセス流にもつとも近い軸の長さに
沿つて使用でき、パツキンの層の数はパツキンの
構成材料、パツキンの配位配置、パツキンが維持
される圧縮、パツキン箱とプロセス流との間の差
圧、および他の同様な変数に依存する。パツキン
の２以上の層を使用する場合、各層は互いに同一
かまたは異なることができる。

プロセス流が摩耗性でありおよび／または凝固
剤を含有し、そしてプロセス圧力が1000psi（70.3
Kg／cm²）程度に高くあることができる、中ないし
高い速度のポンプにおける使用に対して、最も信
頼性ある密封は３層のパツキンを用いて達成さ
れ、ここで第１および第３の層は正方形の横断面
の編組のグラフアイト繊維のパツキン、たとえば
ジヨン・クレイン（John Crane）1625GFであ
り、そして第２の、すなわち中央の層のパツキン
は正方形の横断面の液状グラフアイトを含浸した
アスベスト繊維のパツキンであるか、あるいはす
べての３層は編組のグラフアイト繊維、たとえば
1625Gである。ポンプがひじように高い温度のプ
ロセス流体に暴露されないかぎり、最初に述べた
具体化例は好ましい。高温が予測される場合、含
浸したアスベストの使用は避けるべきである。同
様なパツキン材料は米国特許第3403595号および
同第3646846号に示されている。

前述のように、ある種の環境において、単層の
パツキンを使用できる。事実、３層の具体化例は
最も広い種類の応用において最も適当であること
がわかつたが、適切な流れの性質を達成するため
に必要な最小の数の層を使用することが好まし
い。この理由は、パツキンは圧縮のもとに維持さ
れ、そしてパツキンの層の数が増加するにつれ
て、各層を通じて均一な圧縮を達成することがだ
んだん困難となることにある。事実、普通の詰め
たパツキン箱において、圧縮力を加える手段に直
ぐに隣接する２層中に80％の圧縮が起こることが
わかつた。本発明の重要な面は、軸のプロセス流
端にできるだけ近くに圧縮されたパツキンを位置
することである。

好ましいとして前述したもの以外の、適当なパ
ツキン材料の例は、テフロン（Teflon）TFE
―フルオロカーボン樹脂／グラフアイトの組み合
わせおよび炭素リボンのような商業的に入手でき
るパツキン材料である。

パツキンは軸のプロセス流端に隣接するパツキ
ン箱の基部と同一平面となるようにパツキン箱内
に配置し、そして座金または他の物理的手段によ
り所定位置に保持し、座金やこのような手段は加
えられた圧縮力をプロセス流から最も遠い環状面
を横切つて均一に分布させる。圧縮されると、パ
ツキンは軸とパツキン箱の内壁との間の環状空間
内を満たしそしてきちんとはまり、軸とパツキン
箱の内壁との両方と密接する。座金または他の物
理的手段は、それらが軸およびパツキン箱の内壁
のいずれとも接触しないような寸法である。

圧縮力は座金、次にパツキンへ、コイルばねに
よつて加えられ、このコイルばねは軸と同軸であ
り、そして軸およびパツキン箱の内壁のいずれと
も接触しないような寸法である。別法として、圧
縮力は複数ばね、波形の座金またはパツキンへ均
一な圧縮力を加える任意の他の手段によつて加え
ることができる。圧縮力はほぼ15〜50ポンド
（6.81〜22.7Kg）であり、これは軸の大きさおよ
び特定の選んだパツキンに依存する。たとえば、
前述の好ましいパツキンおよび直径１インチ
（2.54cm）の軸に対して、圧縮力は約10〜20ポン
ド（4.54〜9.08Kg）であるべきである。直径３イ
ンチ（7.62cm）の軸に対して、圧縮力は好ましく
は30〜50ポンド（13.62〜22.7Kg）である。座金
およびばねの構成材料は変化できるが、ただしそ
れらはパツキン箱中へ供給される流体と非反応性
である。ステンレス鋼が好ましい。

コイルばねはパツキン箱内の座金およびストツ
プにより、あるいは機械的密封の静止シートの背
面の端により所定位置に保持でき、そしてこれは
機械的密封の回転部材が内側または外側のどちら
かに設置されているかに依存し、あるいはまた任
意の他の便利な同等の手段によつて所定位置に保
持できる。

機械的密封は好ましくは普通の配位配置の１つ
および構造材料である。機械的密封は回転部材と
静止部材とからなる。回転部材はケージからな
り、これは軸へ１または２以上の止ねじにより固
定されているが、パツキン箱の内壁に関して小さ
なすき間を維持する。ケージ内にほぼ25psi（約
172kpa）の力で回転座金に対して押す複数のば
ねが存在する。回転座金はタングステンカーバイ
ド、炭素または他の耐久性材料から作ることがで
き、このような材料は研削しかつみがいて平らな
なめらかな表面にすることができ、そしてパツキ
ン箱内の流体と反応性でない。静止部材は静止シ
ートからなり、これはパツキン箱へ一般にガスケ
ツトまたはＯリングにより固定されており、そし
て軸に関して小さなすき間を維持する。静止シー
トは接触面を提供し、この面は回転座金の面と密
接し、そして機械的密封を提供する。静止シート
は回転座金と同一または異なる材料であることが
でき、そして、たとえば、炭素、鋼、セラミツ
ク、または種々の合金であることができる。

加圧下にパツキン箱へ供給される流体は、清浄
であり、すなわち溶けたりまたはけん濁したりし
た固体を含有せず、安価であり、プロセスまたは
環境を汚染せず、そしてある程度の潤滑性を有す
る、任意の流体であることができる。適当な流体
の例は、水、油、ケロシンおよび水／グリセリン
の組み合わせである。プロセスの圧力は1000psi
（70.3Kg／cm²）程度に高くあることができる。パ
ツキン箱内の圧力はプロセス圧力より大きく、そ
して要求される貫流とプロセス流中への流れを与
えるために十分に大きくあるべきである。パツキ
ンを通る要求される直線速度は正確に決定できな
いが、少なくとも６フイート（1.83m）／秒、好
ましくは最小約10〜15フイート（3.05〜
4.57m）／秒であるべきであると信じられる。本
発明の密封を用いると、このような直線速度は１
ガロン（3.79）／時より小さく、0.1ガロン
（0.38）／時程度に小さい流れの体積速度で達
成できる。

プロセス流が摩耗性流体を含有する場合、従来
の機械的密封または従来の詰めたパツキン箱、た
とえば先行技術に開示されているものは、数週間
で一定して破壊した。本発明の密封は同様な条件
下で１年以上の有用な使用寿命を経験する。

第１図は、機械的密封の回転部材がパツキン箱
に関して外部に設置されている本発明の密封の１
つの具体化例の半分を切欠いた部分断面側面図で
ある。軸は１つで示されており、この軸は図面の
左にプロセス流端を有し、右に駆動される端を有
する。パツキン箱は２で示されており、このパツ
キン箱内に空所３が存在する。その空所内にパツ
キン４の３層、平座金５およびコイルばね６が配
置されている。コイルばねは静止リング７により
所定位置に保持されており、このリングはパツキ
ン箱とガスケツト８により密閉された配位配置を
形成する。回転座金１５の面１０は静止部材７の
整合面１１と、回転部材またはケージ１２内のコ
イルばね１３により、押されて密に接触する。回
転部材は図示しない止ねじにより軸へ固定されて
おり、そしてそれにより流体の通行は重ね面１０
および１１、およびＯリング１４の接触により防
止される。止め輪１６は回転座金を所定位置に固
定する。フラツシ口３９は流体を加圧下にパツキ
ン箱へ入れる手段を提供する。静止シート中にあ
けた穴４１はフラツシ口３９から180゜のところに
位置して、パツキン押え４２中の空所４０を経て
静止シート７の全周囲のまわりに流体を確実に流
す。この配位配置は、フラツシ流体のプロセス中
への流れが最小である場合さえ、静止シートの冷
却を促進する。

第２図は、機械的シールの回転部材がパツキン
箱に関して内部に設けられている本発明の他の具
体化例の半分を切欠いた部分断面側面図である。
この具体化例は軸１７、パツキン箱１８、パツキ
ン箱の空所１９、パツキン２０の３層、座金２
１、コイルばね２２、座金２３、および座金２３
を所定位置に保持する止め輪２４の非常に類似す
る配位配置からなる。機械的密封は内部に設けら
れており、そして回転部材またはケージ２５、複
数のコイルばね２６、その中でばねに押されてい
る円板２７、くさび２８、および回転座金２９か
らなる。回転部材はケージへ止ねじ３０により固
定されており、そして回転部材と軸との間の流体
の通行はくさび２８によつて防止される。回転座
金２９の面３１は静止部材３３の整合面３２と密
接し、そして部材３３はパツキン押え板３４内に
はまつている。パツキン押え板３４とパツキン箱
１８との間、およびパツキン押え板３４と静止部
材３３との間の流体の通行は、それぞれＯリング
３５および３６によつて防止される。止め輪３７
は回転座金を所定位置に固定する。フラツシ口３
８は流体をパツキン箱の中へ入れる手段を提供す
る。

工業的応用性 本発明の軸封方法は工業的化学プロセスに使用
されているポンプに有用であり、とくにプロセス
流が毒性であるか環境的に許容できないか、ある
いは腐食性、摩耗性でありおよび／または凝固剤
を含有する場合に有用である。たとえば、ポリク
ロロプレンの製造において、次の材料を本発明の
軸封方法を用いて有効に取り扱つた：モノマー
（２―クロロブタジエン―１，３―）および
10pphまでの種々のコモノマー、たとえば、２，
２―ジクロロブタジエン―１，３、メタクリル
酸、イオウ、およびアクリロニトリル、乳化剤、
たとえばナンシイ・ウツド（Nancy Wood）ロ
ジン、不均化タル油ロジンおよびナフタレンスル
ホン酸とホルムアルデヒドとの縮合生成物のナト
リウム塩、および連鎖移動剤、たとえばドデシル
メルカプタンのエマルジヨン；およびこのような
モノマーから製造され、未反応モノマーの除去前
または後の重合体のエマルジヨン。NaOHでPH
を調整できる重合体のエマルジヨンは少量の他の
材料、たとえば開始剤（過硫酸カリウムおよび亜
硫酸ナトリウム）、重合停止剤、しやく解剤、安
定剤、および追加の乳化剤を含有するであろう。
これらのエマルジヨンのすべては、それがパツキ
ン箱中に侵入する場合密封を妨げる凝固剤を変化
量で含有する。さらに、エマルジヨンがほとんど
の型の密封装置内のせん断力にさらされると、凝
固物はエマルジヨン自体から形成するであろう。

最良の形式 本発明の最良の形式は、流体がポンプで送られ
るかあるいはかきまぜられるかにかかわらず、取
り扱う特定のプロセス流体、ポンプの大きさおよ
びその回転速度、プロセス流の温度および圧力、
および駆動手段およびパツキン箱との間の空間に
依存するが、一般に本発明の最も好ましい具体化
例は第１図のものであり、ここでパツキンの層は
２層の正方形の横断面の編組のグラフアイト繊維
のパツキンとそれらを分離する１層の正方形の横
断面の液状グラフアイトを含浸したアスベストパ
ツキンとを含み、ここで回転座金は炭素であり、
そして静止シートはセラミツクである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の１つの具体化例の半分を切
欠いた部分断面側面図である。第２図は、本発明
の他の具体化例の半分を切欠いた部分断面側面図
である。図面中の参照数字は、次の意味を有す
る。 １…軸、２…パツキン箱、３…空所、４…パツ
キン、５…平座金、６…コイルばね、７…静止リ
ング、静止部材、静止シート、８…ガスケツト、
９…ガスケツト、１０…面、重ね面、１１…重ね
面、整合面、１２…回転部材またはケージ、１３
…コイルばね、１４…Ｏリング、１５…回転座
金、１６…止め輪、１７…軸、１８…パツキン
箱、１９…空所、２０…パツキン、２１…座金、
２２…コイルばね、２３…座金、２４…止め輪、
２５…回転部材またはケージ、２６…コイルば
ね、２７…円板、２８…くさび、２９…回転座
金、３０…止ねじ、３１…面、３２…整合面、３
３…静止部材、３４…パツキン押え板、３５…Ｏ
リング、３６…Ｏリング、３７…止め輪、３８…
フラツシ口、３９…フラツシ口、４０…空所、４
１…あけた穴、４２…パツキン押え。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 軸とそれに関して同軸に設置されたパツキン
   箱の内壁とによつて形成された環状空間内に実質
   的に一定の圧縮下に保持されたパツキンと組み合
   わされた機械的密封からなり、該パツキンは該環
   状空間内に軸のプロセス流端に密接して軸に沿つ
   た位置に配置されており、該機械的密封はパツキ
   ンよりも軸のプロセス流端から離れた軸に沿つた
   位置に配置されており、これによつて軸、パツキ
   ン箱の内壁、パツキンおよび機械的密封によつて
   境界をつけられた環状空所を形成し、さらに該空
   所へ流体を加圧下に供給する手段を備え、構成材
   料、配位配置およびパツキンへの圧縮力は該流体
   が該空所へプロセル流の圧力より大きい圧力で供
   給されるとき、流体がパツキンを通してプロセス
   流中へ流入し、その速度はプロセス流がパツキン
   箱へ入るのを防ぐのに十分な速度でかつプロセス
   流の有意の希釈を生ずるのに不十分な流れの体積
   速度であるような軸封装置を設置し、次いで流体
   を該空所へプロセス流の圧力より大きい圧力で供
   給することを特徴とする軸を密封する方法。 ２ パツキンは３層からなり、中央の層は正方形
   の横断面の液状グラフアイト含浸アスベストのパ
   ツキンであり、他の２層は正方形の横断面の編組
   のグラアフアイト繊維のパツキンである特許請求
   の範囲第１項記載の方法。 ３ パツキンはそれにほぼ10〜50ポンド（4.5〜
   22.7Kg）の力を加える少くとも１つのコイルばね
   によつて実質的に一定の圧縮力のもとに維持され
   ている特許請求の範囲第１項記載の方法。 ４ 機械的密封の回転部材はパツキン箱に関して
   外部の軸上に設置されている特許請求の範囲第１
   項記載の方法。 ５ パツキンの構造、配位配置および圧縮はそれ
   を通してプロセス流中へ流れる流体の速度が少く
   とも６フイート／秒（1.8m／秒）であり、一方
   該流体の流れの体積速度が１ガロン／時（3.78
   ／時）より小さいようなものである特許請求の
   範囲第１項記載の方法。